2090-atmo_lekcii

материка возникают стоковые ветры ( чаще всего – юго-восточные) – перенос выхоложенного воздуха к береговой линии по наклону в сторону океана. Так как, кроме барического градиента, на этот перенос воздуха влияет сила тяжести, то по мере приближения воздуха к береговой черте в нижних 100-200 м могут развиваться очень большие скорости ветра , до 20 м/сек и более, с резкой порывистостью. Вместе с сильными ветрами, вызванными постоянным прохождением глубоких циклонов вокруг Антарктиды, стоковые ветры делают многие районы ее побережья самыми ветровыми местами на Земном шаре.

Фен

Во-вторых, местные ветры могут представлять собой местные возмущения течений общей циркуляции атмосферы под воздействием орографии или топографии местности. Таков, например, фен – теплый ветер, дующий по горным склонам в долины, когда течение общей циркуляции переваливает горный хребет.

Нисходящие течения фена, связанные с повышением температур воздуха, являются следствием именно влияния хребта на течение общей циркуляции. Температура фена значительно и иногда резко повышается, относительная влажность воздуха также резко падает, иногда до очень малых значений.

В начале фена могут наблюдаться резкие и быстрые колебания температуры и влажности вследствие встречи теплого воздуха фена с холодным воздухом долины. Порывистость фена указывает на сильную турбулентность. Продолжительность фена может быть от нескольких часов до нескольких суток, иногда с паузами.

Фены с давних времен известны в Альпах. Они также часты на Западном Кавказе. Они наблюдаются и под обрывистой стеной Яйлы на Южном берегу Крыма, в горах Средней Азии и Алтая, в Якутии, Западной Гренландии, на восточных склонах Скалистых гор и во многих других горных системах.

О повторяемости фенов можно судить по следующим средним годовым числам дней с этим ветром: в Кутаиси - 114, в Тбилиси – 45, на Телецком - озере до 150, в Инсбруке (Австрия) – 75.

При сильном развитии фена на подветренной стороне хребта нередко на наветренной стороне наблюдается восходящее движение воздуха по горному склону. Если хребет достаточно высок, то восходящий воздух, достигнув уровня конденсации, будет охлаждаться по влажноадиабатическому закону и на наветренной стороне произойдет образование облаков и выделение тепла конденсации.

При опускании фенового воздуха по подветренному склону содержащиеся в нем облака будут испаряться; на наветренном склоне они, напротив, все время образуются заново. В результате облачная масса в феновом потоке - феновая стена - кажется неподвижно прикрепленной к гребню хребта.

Продолжительный и интенсивный фен может привести к бурному таянию снега в горах, к повышению уровня и разливам горных рек и т.п. Летом фен вследствие высокой температуры может губительно действовать на

растительность. В Кутаиси, например, случается, что при летних фенах листва деревьев высыхает и опадает.

Но фен может наблюдаться и в арктическом воздухе, когда он перетекает, скажем, через Альпы или Кавказ и опускается по южным склонам. Даже в Гренландии стекание воздуха с трехкилометровой высоты ледяного плато на фиорды создает очень сильные повышения температуры. В Исландии наблюдались повышения температуры на 30° . на несколько часов.

Бора

Влиянием орографии объясняется и бора с различными ее разновидностями. Это сильный холодный и порывистый ветер, дующий с низких горных хребтов в сторону достаточно теплого моря. Бора с давних пор известна в районе Новороссийской бухты на Черном море и на Адриатическом побережье Югославии, в районе Триеста. Сходные явления обнаружены на Новой Земле.

К типу бор относятся и САРМА близ Ольхонских ворот на Байкале. Достаточное сходство с борой имеют НОРД в районе Баку, МИСТРАЛЬ на

Средиземноморском побережье Франции, НОРТСЕР в Мексиканском заливе…

Бора возникает в тех случаях, когда холодный фронт подходит к прибрежному хребту с северо-востока, и холодный воздух сразу же переваливает невысокий хребет. Низвергаясь вниз по горному склону под действием силы тяжести, воздух приобретает значительную скорость: в Новороссийске в январе скорость боры достигает в среднем более 20 м/сек. Падая на поверхность воды, этот нисходящий ветер создает сильное волнение. При этом резко понижается температура воздуха, которая до боры была над теплым морем достаточно высокой.

Шквалы. Иногда на ограниченных территориях наблюдаются резкие кратковременные усиления ветра, называемые шквалами. Скорость ветра внезапным порывом усиливается до 20 м/сек и более, на несколько минут, повторяясь иногда на протяжении короткого времени.

Более или менее резко меняется и направление существовавшего ветра. Несмотря на кратковременность, шквалы могут приводить к катастрофическим последствиям.

Шквалы в большинстве случаев связаны с кучево-дождевыми (грозовыми) облаками либо местной конвекции, либо холодного фронта. В первом случае они называются внутримассовыми, во втором – фронтальными.

Внутримассовый шквал обусловлен тем, что в передней части кучеводождевых облаков возникает сильное восходящее движение воздуха, а в центральной и тыловой части – нисходящее, создаваемое, в частности, ливневыми осадками, увлекающими с собой воздух.

Сходные условия будут и при фронтальном шквале, но с резкой формой обрушивания воздуха. Фронтальные шквалы наблюдались вдоль фронта одновременно в ряде мест, поэтому в ХIХ веке, когда было установлено существование холодных фронтов, их называли линиями шквалов.

Смерчи и тромбы возникают, кроме шквалов, в условиях большой неустойчивости атмосферной стратификации в виде особых вихрей с вертикальной осью. Они напоминают циклоны миниатюрных масштабов. Это совсем малые пыльные вихри, во множестве возникающие над перегретой почвой в пустынях и на их границах, где резко меняются свойства подстилающей поверхности. В Сахаре на площади 102 км таких вихрей наблюдается иногда до 100 в день. Часты они летом на восточном Памире…

Поперечник смерчей от 1 до 100 м, высота до 1 км, скорость перемещения 20-30 км/час. В таком вихре наблюдается быстрое вращение воздуха с одновременным его подъемом, так что попавшие в вихрь пыль, листья и другие предметы увлекаются по спиральным путям.

Большое значение имеют более крупные вихри, называемые над морем смерчами, а над сушей – тромбами. В Северной Америке именно тромб вызывают ТОРНАДО – ураганные вихри огромной опустошающей силы. Вихрь возникает обычно в передней части грозового облака и проникает сверху до самой земной поверхности. У смерчей диаметр вихря порядка десятков метров, а у тромбов – 100-200 м., а в американских торнадо и больше (это устанавливается по ширине полосы разрушений).

Тромб виден как огромный темный столб между облаками и землей, расширяющийся кверху и книзу, или как хобот, свисающий из облака. Это объясняется тем, что вихрь втягивает сверху облако, а снизу пыль или воду, кроме того, при сильном падении давлении внутри вихря происходит конденсация водяного пара.

Вихрь перемещается вместе с облаком чаще всего со скоростью 30-40 км/час.

Время существования смерчей измеряется минутами, тромбов – десятками минут, иногда несколькими часами. Скорости ветра в тромбах достигают 50-

100 м/сек.

Тромбы проходят поодиночке, хотя торнадо изредка наблюдаются по два или по нескольку. Смерчи часто возникают сериями.

Атмосферное давление при шквалах резко повышается в связи с бурным выпадением осадков, а затем снова падает (грозовой нос).

Тромб сопровождается грозой, ливневым дождем, градом. Водяные смерчи реже связаны с грозами.

В Европе тромбы сравнительно редки и наблюдаются преимущественно в жаркую летнюю погоду в послеполуденные часы в воздушных массах тропического происхождения с большими вертикальными градиентами температуры. В направлении к северу они отмечались до Северной Шотландии, Южной Норвегии, Швеции (до 60 гр. с.ш.), Соловецких островов, в Сибири до низовьев Оби. На европейской территории СНГ каждое лето в разных местах отмечается несколько тромбов. Были случаи, когда они достигали здесь катастрофической силы, например, московский тромб 29 июня 1904 г., сравнимый по интенсивности с американскими торнадо. По видимому, на Азиатской территории СНГ тромбы возникают чаще, но, проходя в малонаселенных районах, замечаются реже.

В США наблюдается в среднем 200 торнадо в год, преимущественно в теплое время. Интенсивность их разна, но и скорости (до 125 м/сек) и диаметры их гораздо больше, чем у европейских.

Случалось, что торнадо поднимали в воздух дома вместе с жителями. В среднем за год от них гибнет 200 человек, а в одном случае (18 марта 1925 г.) торнадо унес почти 700 человеческих жизней. Одно единственное торнадо в Северной Дакоте разрушило 500 домов в 1957 г. на площади в одну квадратную милю, причинив ущерб на 15 млн долларов.

Преобладание тромбов США можно объяснить тем, что здесь летом часто господствует очень теплый, влажный и неустойчиво стратифицированный воздух с Мексиканского залива, благоприятный для образования гроз и торнадо. В Европу же тропический воздух попадает реже.

В-третьих, местными ветрами называют и такие сильные ветры в некоторых районах, которые являются, по существу, течениями общей циркуляции. Интенсивность их проявления и их характерность для данного географического района являются следствием самого механизма общей циркуляции, самого географического распределения синоптических процессов. В этом значении называют местным ветром, например,

Сирокко на Средиземном море.

Суховей – ветер при высокой температуре и низкой относительной влажности воздуха. Температура при суховеях всегда высокая и часто достигает 35-40 ° С. Относительная влажность воздуха составляет до 30%, скорость ветра всегда больше 5 м/сек и часто достигает 20 м/сек.

Суховеи наблюдаются летом в степной и лесостепной зонах Европейской территории РФ, в Казахстане и Средней Азии, когда над этими районами расположена южная или юго-западная периферия антициклона, а над западной частью РФ давление понижено. При таком распределении давления воздушный поток суховея направлен на запад.

Суховеи образуются в результате трансформации воздушных масс, чаще всего арктического происхождения. Перемещаясь над континентом в низкие широты, воздух сильно нагревается и становится еще более сухим. Этот ветер – метеорологическое явление, неблагоприятное для сельскохозяйственного производства.

Известны также многочисленные местные ветры в различных районах Земли, носящие особые названия, такие, как САМУМ, ХАМСИН, АФГАНЕЦ и пр. Упоминание о таких ветрах можно найти в физико-географических или климатических характеристиках отдельных местностей. Например, на Алтае ветер северного направления, поднимающий на водной глади мелкую рябь, называют СИВЕРОМ.

Над высокими горными грядами, такими, как, например, Анды, возникают так называемые струйные ветры со скоростями выше 150 км/час.

Примерно, такой же по происхождению ветер часто наблюдается над горой Вашингтон в Северной Америке, его скорость достигла однажды 371 км/час, и данный показатель внесен в Книгу рекордов Гиннеса.

К местным относится и ветер ураганной силы, сопровождающий на Дальнем Востоке циклон, который здесь называют тайфуном. Он часто дует с июля по октябрь, принося населению дальневосточного побережья немалые проблемы.

Известно что в основном волны на поверхности водоемов создаются ветрами. Иное дело – цунами, представляющая из себя волну необычайно высоких размеров, которая инициируется вулканами.

С развитием космической техники обнаружилось, что по морям-океанам гуляют так называемые «бродячие валы», высота которых доходит до 50 метров. Они возникают внезапно, причем ветер нередко особой роли в их возникновении и развитии не играет.

Среди ученых существует две гипотезы возникновения данных волн. Первая – это временная задержка какого-то значительного морского или океанического течения ветром, дующим против этого течения. Когда ветер вдруг ослабевает, течение освобождается от противника и идет, как говорят, валом.

Но, например, в Северном море нет таких течений, а бродячие волны нередко встречаются и здесь. Это может быть объяснено, в свою очередь, тем, что в морях и океанах существуют некие глубокие впадины, видные из космоса. Вероятно, действие факторов обеих гипотез и является источником этих чудовищных валов, погубивших не одну сотню кораблей.

Контрольные вопросы к разделу о ветре:

1.Какие местные ветры вы знаете?

2.Что такое бриз?

3.Куда дует бора?

4.Через что переваливает фен?

5.Характеристика смерчей и тромбов.

6.Что и где сушит суховей?

ЛЕКЦИЯ 16 Загрязнение атмосферы.

Привнесение в атмосферу или образование в ней физико-химических агентов и веществ, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами, есть ничто иное, как загрязнение атмосферы.

Естественными источниками в загрязнении атмосферы выступают такие явления, как вулканизм, лесные пожары, пыльные бури, выветривание и т.д. Эти факторы не угрожают последствиями природным экосистемам, за исключением отдельных естественных природных катастроф: например, извержение вулкана Кракатау в 1883 г., когда в атмосферу было выброшено 18 км 3тонко измельченного пепла; извержение вулкана Катмай на Аляске в 1912 г., выбросившего в атмосферу 20 км3 рыхлых продуктов вулканического происхождения. Пепел этих извержений распространился на большую часть поверхности Земли и вызвал уменьшение притока солнечной радиации на 10-20%, что, в свою очередь, понизило среднегодовую температуру Северного полушария на 0,5 °С. В то же время можно несчитать эти последствия каким-то ущербом, поскольку природа, в которой все взаимосвязано, сама устанавливает свое равновесие.

Однако в последние десятилетия антропогенные воздействия человека на природу, в том числе и на атмосферу, стали превышать по масштабам естественные, приобретя глобальный характер.

Антропогенные факторы могут оказывать воздействие на атмосферу различными путями:– нагревание, изменение влажности и т.д., – изменение физико-химических свойств атмосферы (изменение состава, увеличение концентрации углекислого газа, аэрозолей, фреонов); изменение свойств подстилающей поверхности (изменение величины альбедо, системы «океанатмосфера») и т.д.

К основным источникам загрязнения атмосферы относятся: промышленные предприятия, транспорт, теплоэнергетика, сельское хозяйство и др. Среди отраслей промышленности особенно токсичные выбросы в атмосферу дают предприятия цветной металлургии, химической, нефтехимической, черной металлургии, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и др.

По агрегатному состоянию все загрязняющие вещества подразделяются: на - твердые, жидкие и газообразные. Причем последние вещества составляют около 90% всех выбросов. Так наибольший ущерб атмосфере наносят: углекислый газ – 55%; метан – 12% (с учетом непрямых последствий его «вклад» составляет 17%); фреон-11 – 5%; фреон-12 – 11%; закись азота – 5%. Во многих странах именно промышленность дает основную часть загрязнения: в, частности, в ФРГ она дает 87% суммарных выбросов в атмосферу сернистого газа, 80% пыли, 40% оксида азота и т.д.

В крупных городах значительная доля загрязнений атмосферы приходится на автотранспорт. Так, в атмосферный воздух Москвы ежегодно поступает 1290 тыс. тонн загрязняющих веществ, из них более 70% приходится на автотранспорт. В среднем на каждого жителя столицы приходится по 120 кг различных загрязняющих компонентов.

Удручающе нынче звучит ироничное утверждение, что «Если вы живете в развитой стране, то с вероятностью на 2/3 вы дышите воздухом, который не соответствует стандартам». Насколько плох этот воздух? Настолько, что уносит ежегодно преждевременно 50 тысяч жизней. Потенциально достаточно плох, чтобы разрушить экосистему, то есть биосферу в целом, и сделать Землю необитаемой.

Наиболее заметным загрязняющим атмосферу явлением можно считать смог, который образуется при воздействии солнечных лучей на углеводороды (газы, которые выделяются при сжигании ископаемого топлива). В дни с особенно сильным смогом у людей режет глаза, першит в горле, а у тех, кто страдает респираторными заболеваниями, снижается жизненная активность.

Другой вид загрязнения воздуха – это дожди с высоким содержанием кислот, когда окись азота и газообразная двуокись серы вступают во взаимодействие с воздухом. Такие кислотные дожди наносят вред лесам и озерам в юго-восточной Канаде, на северо-востоке США, в Западной Европе, где ими уничтожено более 30 млн. га лесов: Европа становится «лысеющим континентом».

Кислотные дожди не минуют и Россию: в европейской части страны уровень загрязнения западных ветров примерно в 10 раз больше, чем восточных. Основная часть вредных выбросов исходит от предприятий, использующих в качестве топлива уголь и изготавливающих электрооборудование.

Содержащаяся в атмосфере двуокись углерода играет большую роль в жизни человека, животных и растений, предохраняет землю от перегрева. При отсутствии атмосферы средняя температура земной поверхности была бы – 23 ° С, в действительности же она + 15 ° С.

Парниковый эффект

В 1894 г. французский физик Фурье ввел в научную литературу термин «парниковый эффект атмосферы». На рубеже ХIХ и ХХ столетий шведский ученый Сванте Аррениус показал важнейшую роль углекислого газа и паров воды в тепловом режиме атмосферы. Проведенные впоследствии расчеты показали, что увеличение количества углекислого газа в атмосфере в 2-3 раза способно повысить температуру приземных слоев воздуха на 8-9 ° С, а его уменьшение на 40% снижает среднюю глобальную температуру на 4-5 ° С.

Дело в том, что солнечная радиация, частично отражаясь, большей частью достигает поверхности земли и нагревает ее. Землей испускается невидимое инфракрасное излучение, в результате чего Земля охлаждается. Часть инфракрасного излучения поглощается парниковыми газами в атмосфере и таким образом удерживает тепло.

После того как академик А.Б. Ронов количественно определил концентрацию углекислоты в атмосфере в различные геологические эпохи, а позднее была установлена средняя глобальная температура земной поверхности, показано ее изменение в течение последних 600 млн. лет, а

также дана их сравнительная характеристика, удалось доказать полное соответствие изменения концентрации СО2 в течение определенного времени и средних глобальных температур. Проведенные на геологическом материале исследования показали, что парниковый эффект, связанный с колебаниями концентрации атмосферной углекислоты, действовал и в геологическом прошлом.

Но в одной ли углекислоте дело? Сегодня определенно можно сказать, что взаимоотношения между содержанием атмосферной углекислоты и приземные температуры носят значительно более сложный характер. Буфером здесь выступает Мировой океан. В водах морей и океанов СО2 в 60 раз больше, чем в атмосфере, а именно – 140 трлн. тонн. При этом соблюдается определенное равновесие. Но когда повышается глобальная температура земной поверхности, океан растворяет в себе еще значительное количество углекислоты и служит, таким образом, регулятором приземных температур.

Накопление углекислоты в атмосфере выше определенного уровня – одна из причин парникового эффекта, так как СО2 не пропускает солнечное тепло обратно в космос.

Хозяйственная деятельность человека нарушила баланс углекислого газа в природе.

Концентрация двуокиси углерода в атмосфере выросла по сравнению с доиндустриальной эпохой на 28%. Кроме углекислого газа в парниковом эффекте принимают участие такие парниковые газы, как закись азота (так называемый «веселящий» газ), метан, галогеноуглероды - группа веществ, усиливающих парниковый эффект.

Это создает, по мнению многих ученых, реальную угрозу заметного потепления климата, изменения количества осадков, таяния льдов, повышения уровня Мирового океана. Так, например, в центральных районах Китая в июле 1988 г. температура в течение десяти дней сохранялась на отметке 36-46°С, что повлекло за собой миллионы жертв и непомерный крон экономике страны. Горячие воздушные массы поразили в этот год и всю Северную Америку, где из-за чрезмерной жары резко снизились урожаи сельскохозяйственных культур.

Оценки глобального потепления (и в особенности его пространственной структуры) могут быть получены путем экспериментов с глобальными моделями климата. Есть два типа таких экспериментов: первые (равновесные) дают оценку чувствительности климата к росту концентрации парниковых газов в атмосфере; вторые выполняются при постепенном изменении концентрации парниковых газов в модели.

Современные оценки чувствительности климата дают величину в пределах 1,5 – 4,5 °С, оценки, полученные с помощью моделирования, дают для среднегодовой температуры конца 21 века разброс от 0,9° до .5°.С.

В настоящее время есть эмпирические данные, подтверждающие усиление парникового эффекта. Например, в эпоху динозавров глобальная температура была на 10-15°С выше нынешней, и геохимики подсчитали, что это

соответствует превышению содержания СО2 в атмосфере в 4-8 раз по сравнению с наблюдаемым в наши дни. Однако они спорны: изменения климата незначительны, и это позволяет многим климатологам объявлять их нормальным отклонением от средних. И все-таки серьезного внимания эти данные заслуживают: согласно математическим моделям теории катастроф, практически невозможно бороться с катастрофой, когда ее признаки станут уже заметными.

Да и сами данные об усилении парникового эффекта незначительными не назовешь: под угрозой гибели из-за глобального потепления, например, уже оказались белые медведи. По прогнозам ученых уже в этом веке этот вид может исчезнуть с лица Земли!

В настоящее время существует международное соглашение, так называемый Киотский протокол об ограничении и даже квотировании выбросов парниковых газов (особенно углекислого газа) в атмосферу.

Озоновая дыра

Другой долгосрочной угрозой, причем с неизвестными масштабами, является истончение защитного озонового слоя атмосферы вокруг Земли, особенно четко проявившееся над Антарктидой (так называемая «озоновая дыра»). Этот слой, отличающийся повышенным содержанием озона, защищает все живое на земле от избыточного ультрафиолетового солнечного излучения. Находится он на высоте 19-23 км. Ученые высказывают опасение, что при дальнейшем разрушении озонового слоя усилится активное воздействие солнечной радиации, увеличивая вероятность смертельных форм рака кожи.

Разрушение озонового слоя вызывается хлорфторуглеводородами – веществами, которые используются в качестве ингридиентов при производстве продуктов в пенящих и спреевых упаковках.

Загрязнение воздуха, представляющее более явную угрозу здоровью людей, связано с попаданием в атмосферу токсинов, которые вырабатываются при некоторых производственных процессах. Так, крупные западные корпорации ежегодно выбрасывают в воздух до 1,3 млрд. кг химических отходов.

В настоящее время в России две трети населения живет в условиях опасного загрязнения воздуха, которое, в частности, ведет к развитию мутагенеза и канцерогенеза. За последний 2003 год 250 тыс. детей родились уродами, 25% беременностей окончились выкидышами, 30 тысяч детей оказались мертворожденными, 10 млн. человек в детородном возрасте не имеют детей, 105 браков бесплодны, у 10% детей имеются генетические дефекты. При данной тенденции эта статистика грозит вымиранием нации.

Угроза озоновому слою привела к заключению одного из первых жестко обязательных для его участников международных соглашений в сфере охраны окружающей среды – Венской конвенции по охране озонового слоя, подписанной в 1985 г.

Экологический мониторинг

Эффективность управления антропогенными воздействиями возможна лишь в рамках планового природопользования, учитывающего перспективы развития экологической ситуации. Прогнозирование состояния природной среды является ныне исключительно важной задачей. Получение же объективной информации об изменениях природной среды невозможно без проведения наблюдений.

Современное развитие глобальной экологической ситуации потребовало принципиально новых подходов к решению экологических проблем. На смену стихийному подходу должно прийти планомерное воздействие на биосферу, обеспечивающее ее сохранение в качестве здоровой и живой среды обитания.

В 70-х годах в науке возник новый термин для обозначения системы повторных, целенаправленных наблюдений за различными элементами окружающей природной среды в пространстве и времени – мониторинг. Появление этого термина связано со Стокгольмской конференцией по проблемам окружающей среды в рамках ООН (1972 г.), где Научным комитетом по проблемам окружающей среды было предложено создать глобальную систему мониторинга окружающей среды (ГМОС – GEMS). Основной задачей ГМОС было положено раннее оповещение о наступающих природных и техногенных изменениях состояния окружающей среды, которые могут нанести прямой или косвенный ущерб здоровью или благосостоянию людей.

В 1973 г. профессор Р. Мэнн в постановочном аспекте изложил концепцию мониторинга, которая была обсуждена на первом Межправительственном совещании по мониторингу в феврале 1974 г. в Найроби. Он предложил называть мониторингом систему повторных наблюдений одного или более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени в соответствии с заранее подготовленной программой.

Ныне мониторинг – это глобальная система наблюдений, оценки и прогноза антропогенных изменений состояния окружающей природной среды. При этом подразумевается, что мониторинг ближе к термину «слежение», нежели «контроль», который предполагает тесную связь с системой управления.

В рамках обеих концепций мониторинг рассматривается как информационная система, включающая в себя прямую и обратную связь.

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию:

о состоянии окружающей среды;

о причинах наблюдаемых и вероятных изменениях состояния (т.е. об источниках и факторах воздействия);

о допустимости изменений и нагрузок на среду в елом;